Довбыш В.Н., Маслов М.Ю., Сподобаев Ю.М. Электромагнитная безопасность элементов энергетических систем

Подождите немного. Документ загружается.

111

влияние этого поля. При этом очевидно требуется детальный учет элемен-

тов конструкции транспортного средства, существенно влияющие на ха-

рактеристики излучаемого поля. К ним относятся, прежде всего, конструк-

тивные узлы, находящиеся в непосредственном контакте с цепями питания

– устройства токосъема, силовые цепи, цепи питания тяговых двигателей,

пускотормозные реостаты. Кроме того, на характеристики ЭПМ внутри

транспортных средств, очевидно, оказывают влияние вспомогательные

электрические машины и цепи вторичного электричества – генераторы

собственных нужд, цепи управления, контроллеры.

Рассмотрим некоторые особенности электрооборудования городского

электротранспорта, их рабочие напряжения, токи и номинальные мощности.

На подвижном составе городского электрического транспорта применяют

преимущественно электрические машины постоянного тока как с последова-

тельным или параллельным, так и смешанным возбуждением. [107].

Все электрические машины, устанавливаемые на трамвайных вагонах и

троллейбусах, можно разделить на две основные группы. К первой группе

относятся тяговые двигатели, предназначенные для преобразования элек-

трической энергии постоянного тока в механическую, необходимую для

приведения в движение трамвайных вагонов или троллейбусов. Ко второй

группе относятся вспомогательные электрические машины – двигатели и

генераторы. Вспомогательные двигатели служат для привода компрессо-

ров, вентиляторов, генераторов низкого напряжения и других механизмов.

Электрические машины с параллельным возбуждением получили большое

распространение в качестве приводов групповых переключателей (кон-

троллеров) и генераторов электроэнергии вспомогательных нужд, которые

служат для питания электрооборудования низкого напряжения, цепей

управления и для подзарядки аккумуляторных батарей.

Так, например, в троллейбусе обычно устанавливают один тяговый

двигатель, рассчитанный на переменное напряжение контактной сети 550В

[107]. На трамвайных же вагонах число тяговых двигателей зависит от чис-

ла ведущих осей. Наиболее распространенные сегодня четырехосные трам-

вайные вагоны чаще всего имеют четыре тяговых двигателя, которые со-

единены в две группы. В каждой группе по два двигателя соединяются по-

следовательно. При пуске и движении на небольших скоростях группы

двигателей могут включаться последовательно, а затем для увеличения

скорости движения – параллельно. Двигатели четырехосных трамвайных

вагонов рассчитаны на половину напряжения контактной сети – 275 В.

Электрические машины, входящие в состав электротранспорта, ра-

ботают не непрерывно, что, очевидно, является причиной временной

нестабильности электромагнитной обстановки. Различают три основных

номинальных режима работы электрической машины в зависимости от

характера и длительности работы: продолжительный, кратковременный

и повторно-кратковременный [107].

112

Номинальным режимом тягового двигателя принято считать часовой

либо длительный режим, так как тяговые двигатели работают с резко ме-

няющимися нагрузками, и допустимое превышение температуры их частей

может быть достигнуто как при кратковременном действии одной нагруз-

ки, так и при длительном действии другой, несколько меньшей нагрузки.

Номинальным режимом вспомогательного двигателя считают длительный

или повторно-кратковременный режим, так как эти машины работают с

практически неизменной нагрузкой непрерывно или с регулярными пере-

рывами и последующими включениями.

Вспомогательные электрические машины постоянного тока работают

от контактной сети на номинальном напряжении 550 В. К этим машинам

относятся двигатели приводов генераторов собственных нужд и вентилято-

ров, пускотормозных реостатов, приводов компрессоров. Конструкции этих

и тяговых двигателей аналогичны. Так, вспомогательный электродвигатель

ДК-661А-1 используют в качестве привода генератора собственных нужд и

вентилятора обдува пускотормозного реостата на весьма распространенных

троллейбусе ЗиУ-9 и трамвайном вагоне КТМ-5М-3. Этот двигатель вы-

полнен с последовательным возбуждением и самовентиляцией. Электро-

двигатель ДК-660А служит приводом вентилятора отопительно-

вентиляционной системы трамвайного вагона РВЗ-6М-2. Это двигатель

закрытого исполнения с последовательным возбуждением. Двигатель-

генератор SMD-J6Ab устанавливают на трамвайных вагонах Т-3. Он состо-

ит из двух электрических машин, смонтированных в одном корпусе и на

одном валу: двигателя постоянного тока с последовательным возбуждени-

ем, получающего питание от контактной сети, и генератора собственных

нужд постоянного тока. Электродвигатель ДК-408В служит приводом ком-

прессора на троллейбусе ЗиУ-9. Двигатель ДК-408В рассчитан на повтор-

но-кратковременный режим работы с продолжительностью цикла 10 мин.

Электродвигатель 2SM-132L применяют на троллейбусе 9Тр в качестве

привода компрессора.

Вспомогательные электрические машины постоянного тока работают

на номинальном напряжении 24 и 12 В. К этим машинам относятся двига-

тели привода дверей, гидроусилителя рулевого управления, привода груп-

пового реостатного контроллера, ускорителя, стеклоочистителей, вентиля-

торов электропечей и кабины водителя и др. Конструкция этих двигателей

аналогична конструкции высоковольтных электрических машин. Так элек-

тродвигатели Г-108А и Г-108Г применяют в качестве электроприводов две-

рей: Г-108А - на троллейбусе ЗиУ-9 и Г-108Г – на трамвайном вагоне КТМ-

5М-3. Это двигатели двухполюсные, защищенного исполнения с самовен-

тиляцией. Двигатель Г-108А имеет последовательное возбуждение, а Г-

108Г – параллельное. Рабочий цикл их складывается из двустороннего

вращения якоря. Причем каждому направлению вращения двигателя Г-

108А соответствует возбуждение одной из двух обмоток четырех полюсов.

113

Генераторы собственных нужд на электрическом подвижном составе

городского транспорта приводятся в действие либо вспомогательным, либо

тяговым двигателями. Электрическая энергия, вырабатываемая генерато-

ром собственных нужд, расходуется на питание цепей освещения, сигнали-

зации, управления, заряд аккумуляторной батареи, а также на питание

электродвигателей.

Для питания цепей управления трамваев и троллейбусов обычно выби-

рают генераторы с номинальным напряжением 24 В.

С целью упрощения электрооборудования во многих случаях генератор

собственных нужд и вентилятор отопительно-вентиляционной системы

приводятся в действие от одного двигателя.

Иногда генератор выполняют в блоке с двигателем, как, например, на

трамвайном вагоне Т-3 (якоря генератора и двигателя монтируют на один

вал). Такой агрегат называют двигателем-генератором. На трамвайном ва-

гоне КТМ-5М-3 применяют генератор Г-731; на троллейбусе ЗиУ-9 — ге-

нератор Г-263 или Г-263Л; на троллейбусе 9Тр — альтернатор 443 ИЗ 518

331.

Генератор Г-731 с параллельным возбуждением представляет собой че-

тырехполюсную электрическую машину закрытого исполнения. Номи-

нальное напряжение генератора 26 В, длительная мощность 1,5 кВт, номи-

нальный ток 52 А. Генератор Г-263 (Г-263А) трехфазный, синхронный, пе-

ременного тока, с электромагнитным возбуждением. Для выпрямления пе-

ременного тока в генератор вмонтирован выпрямительный мостовой блок с

кремниевыми выпрямителями (диодами).

Токоприемники осуществляют электрическое соединение между кон-

тактными проводами и электрическим оборудованием подвижного состава.

По конструктивному исполнению подъемного механизма токоприемники

можно подразделить на однорычажные и многорычажные [107]. К одиоры-

чажным токоприемникам относятся штанговые и дуговые, к многоры-

чажным – пантографные. Штанговые токоприемники применяют на трол-

лейбусах, на трамвайных вагонах – дуговые, пантографные (полупанто-

графные) и штанговые. Основные конструкции токоприемников приведены

на рис. 3.1.

Вспомогательные электрические машины постоянного тока, применяе-

мые на подвижном составе, работают на номинальном напряжении 550, 24

и 12 В. Электродвигатели для привода генераторов собственных нужд и

вентиляторов пускотормозных резисторов, а также привода компрессоров

выполняются с последовательным возбуждением и работают на поминаль-

ном напряжении 550 В. Приводной электродвигатель и генератор собст-

венных нужд составляют единый агрегат – двигатель-генератор. Электро-

двигатель с вентилятором составляют агрегат двигатель-вентилятор. Он

служит для вентиляции пассажирского салона и охлаждения пускотормоз-

ных резисторов, а также тяговых электродвигателей в том случае, если по-

следние рассчитаны на независимую вентиляцию. С целью упрощения

114

электрооборудования часто вентилятор и генератор собственных нужд

приводятся в действие от одного электродвигателя. В этом случае требует-

ся электродвигатель мощностью 2,5…5 кВт [107].

а)

б)

в)

Рис. 3.1. Дуговой токоприемник а), штанговый токоприемник б), токосъемная головка

штангового токоприемника в)

115

Для питания сжатым воздухом тормозной системы, пневмоподвески и

других потребителей сжатого воздуха обычно устанавливают поршневой

одноступенчатый компрессор с подачей 300…500 л/мин и максимальным

давлением до 0,8 МПа. Электродвигатель с компрессором в сборе составля-

ют агрегат-двигатель-компрессор. Мощность электродвигателя компрессора

находится, как правило, в пределах 2…4 кВт [107].

Все вспомогательные электродвигатели получают питание через по-

стоянно введенные в их цепь индивидуальные демпферные резисторы,

которые служат для снижения максимальных значений переходных то-

ков, возникающих при колебаниях напряжения в контактной сети и, в

частности, при проездах пересечений, изоляторов и других спецчастей

контактной сети.

Включение и выключение цепей вспомогательных двигателей осуще-

ствляются выключателями с ручным приводом или контакторами. На

трамвайных вагонах и троллейбусах отечественного производства приме-

няют выключатели ВУ-222 и ВУ-222А с дугогашением.

Освещение салона электрифицированного подвижного состава мо-

жет осуществляться либо непосредственно от контактной сети, как на

трамвайных вагонах РВЗ-6М-2, КТМ-5М-3 и Т-3, либо от аккумулятор-

ных батарей, как на троллейбусах ЗиУ-9 и 9Тр. На трамвайных вагонах

для освещения салона и маршрутных фонарей применяют лампы TI или

ТР мощностью 60 Вт и напряжением 120 В и лампы мощностью 60 Вт и

напряжением 50…55 В. Лампы имеют устройство, автоматически зако-

рачивающее цепь при перегорании нити. На вагоне РВЗ-6М-2 пассажир-

ский салон освещается двумя группами люминесцентных ламп, которые

получают питание от контактной сети. В каждой группе по 13 ламп ПВ-

1 (50 В, 60 Вт), соединенных последовательно. Из них в салоне устанав-

ливаются 20 ламп (11 ламп на левой стороне потолка салона и 9 ламп на

правой стороне), 5 ламп в маршрутном указателе и 1 лампа в маршрут-

ном номере.

Рассмотренные технические характеристики некоторых распростра-

ненных конструктивных элементов подвижного состава электротранспор-

та будут использованы в дальнейшем для построения конечноэлементных

моделей транспортных средств.

3.2. Учет объемных проводящих тел, присутствующих в

непосредственной близости токоведущих частей.

Учет вторичных вихретоковых полей

Электродинамическое моделирование электротранспорта будем про-

водить при помощи метода конечных элементов, численная реализация

которого был подробно описана в разделе 2 настоящей монографии.

Следует отметить, что корпус электрического транспортного средства

находится в непосредственной близости от токоведущих частей контактной

116

сети. В связи с этим, очевидно, окажутся значительной величины вторич-

ные поля, созданные вихревыми токами, наведенными в проводящих

элементах кузова. Учет вихревых токов требует модификации исходных

уравнений (1.43) и (1.44).

Источниками вторичного поля являются токи, наведенные в толще метал-

ла переменным электрическим полем, созданным токами контактной сети.

Первичное переменное магнитное поле в подобных случаях [49] ока-

зывает незначительное влияние на вторичное поле, в связи с чем его учет

при электродинамическом моделировании необязателен.

Таким образом, следует подвергнуть модификации лишь уравнение

(1.44), исходя из предпосылки, что

0rot ≠E

Иными словами, переходя к уравнению Пуассона, применим опера-

цию ротора к обеим частям уравнения:

∂

εε

rot . (3.1)

В результате чего получим:

jHH

rotrotdivgrad

∂

+=∇−

εε

. (3.2)

Учитывая то обстоятельство, что электрическое поле изменяется во

времени по гармоническому закону (~

cos

), а так же используя матери-

альное уравнение

, придем к соотношению:

ωεε

tjH

rotsinrot

−=∇−

. (3.3)

Или, группируя однородные слагаемые в правой части (3.3), можно

записать конечный вариант уравнения:

rot

cos













−=∇−

, (3.4)

где

- тангенс угла диэлектрических потерь материала корпуса [136].

В правых частях координатных уравнений (2.7) и (2.13) появится до-

полнительный множитель, зависящий от времени по гармоническому за-

кону, в результате чего системы уравнений примут вид:

cos

∂













−=

∂













−−=

∂

zxx

(3.5)

117

Аналогичным образом изменится система координатных уравнений

для цилиндрической системы координат:

.)(

cos

111

cos













∂

−

∂













−=

∂













∂













∂

−

∂













−=

∂













∂













∂

−

∂













−=

∂













∂

ϕϕϕ

ϕδ

rzzz

zrrr

(3.6)

В остальном вычислительные процедуры, выполняемые в рамках ме-

тода конечных элементов, не отличаются от приведенных в разделе 2 и

приложении 2.

3.3. Расчет уровней ЭМП электротранспорта

3.3.1. Электромагнитные поля системы питания троллейбуса

На рис.3.2 и 3.5 приведены результаты расчета электрического поля,

создаваемого цепью питания троллейбуса в присутствии вагона типа ЗиУ-

9, оснащенного двумя тяговыми двигателями, суммарной мощностью 260

кВт. Троллейбус оснащен штанговым токоприемником.

На рис.3.3 и 3.6 показано распределение магнитного поля троллейбуса.

Рис.3.4 иллюстрирует распределение магнитных силовых линий. Графики,

приведенные на рис.3.5 и 3.6 показывают зависимости напряженностей,

соответственно, электрического и магнитного полей на высотах 0, 0,5 м, 1

м, 1,5 м и 2 м от уровня земной поверхности.

Приведенные результаты подтверждают, что уровни электрического и

магнитного полей внутри салона троллейбуса достаточно высоки (0,2 кВ/м

и 60 мкТл), и в ряде случаев приближаются к ПДУ, установленному для

населения.

Относительно структуры поля отметим то обстоятельство, что области

«сильного поля» и по электрической и по магнитной компонентам локали-

зованы вблизи проводов контактной сети и практически не «касаются» са-

лона. Уровни поля вне салона, оказываются небольшими и уже на расстоя-

нии 1…1,5 м от расположения контактной сети не превышают ПДУ. Сле-

дует также заметить, что присутствие вагона очевидным образом приводит

к увеличению уровней поля, следовательно «чистая» контактная сеть (даже

несущая нагрузку) создает поля, уровни которых можно признать безопас-

ными.

118

Рис.3.2. Распределение электрического поля цепи питания троллейбуса в вертикальном

сечении

119

Рис.3.3. Распределение магнитного поля цепи питания троллейбуса в вертикальном

сечении

120

Рис.3.4. Распределение магнитных силовых линий цепи питания троллейбуса в вертикальном

сечении